CC BY
13
УДК 631.4
И.А. Самофалова
Пермский государственный аграрно-технологический университет им. акад. Д.Н. Прянишникова, samofalovairaida@mail.ru
ГЕОПРОСТРАНСТВЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ГОРНЫХ ПОЧВ (СЕВЕРНЫЙ УРАЛ, ЗАПОВЕДНИК «ВИШЕРСКИЙ»)
Определены физико-химические свойства горных почв (Северный Урал, бассейн р. Большая Молебная, заповедник «Вишерский»), формирующихся в разных высотно-растительных поясах и структурных элементах водосборного бассейна. Установлено, что в горных условиях изменения физико-химических свойств в пространстве имеют свои особенности и закономерности. Во-первых, содержание гумуса связано с изменением растительных сообществ и формированием биологических барьеров. Во-вторых, показатели кислотно-основных свойств почв имеют наибольшие значения на склоновых поверхностях бассейна до границы его влияния (до 640 м над уровнем моря), а выше проявляется эффект от высотных геосистем - показатели имеют тенденцию снижения, что связано с проявлением высотной зональности. В-третьих, с помощью геопространственного моделирования физико-химических свойств горных почв установлено, что их варьирование в пространстве связано с развитием стоковой речной сети. Данная закономерность проявляется в характерном аналогичном рисунке изменения свойств почв.
Ключевые слова: горные почвы; физико-химические свойства; заповедник; интерполяционная модель.
Введение
Для решения широкого круга задач ряда смежных научных областей необходимы данные о характеристике почвенного покрова и свойствах почв. Составление почвенных карт с использованием геоинформационных систем и компьютерного анализа пространственных данных имеет большой инновационный потенциал (Бугаец и др., 2015; Самофалова, Шутов, 2016; Бугаец и др., 2017; Самофалова, 2018; Samofalova, 2018). Современная цифровая почвенная картография обеспечивает достоверность результатов и расширенные возможности для подробного и содержательного анализа почвенно-ландшафтных связей.
Для анализа почвенного покрова, мониторинга его состояния и охраны на локальном и на региональном уровнях необходимы актуальные картографические материалы. Это особенно важно для территорий, труднодоступных для традиционного картографирования. Сложность изучения почвенного покрова состоит в том, что трудно предсказать тип почвы, не опираясь на количественные и качественные данные полевых измерений в труднодоступных районах. Использование бассейнового метода и ГИС-технологий позволяют решить эти проблемы с помощью интерполяции и математического моделирования (Самофалова, Шутов, 2016, 2017; Шаньгин, Самофалова, 2016).
Совместное применение бассейнового метода
и геоинформационных технологий дают высокую точность (80-90%) при использовании их для сложных природных условий, где пестрый почвенный покров и пространственное разнообразие сочетаний факторов почвообразования (Шутов, Самофалова, 2016; Шаньгин, Самофалова, 2016; Самофалова, 2018).
Цель исследования - изучить варьирование физико-химических свойств почв в пространстве в горных условиях.
Материалы и методы исследования
Исследования проводили на территории государственного природного заповедника «Вишерский». Заповедник расположен на западном макросклоне Северного Урала, на крайнем северо-востоке Пермского края, в верховьях реки Вишера (между 60°54'-61°40 с.ш. и 58°40'-59°27' в.д.) и приурочен к осевой зоне горной страны (рис. 1). Высота многих хребтов превышает 1000 м. Инверсионный рельеф образуется за счет выходов кварцитов, различных интрузий, устойчивых к выветриванию.
На территории заповедника отмечена густая сеть постоянных водотоков и обилие мелких верховых болот. Речная сеть ориентирована в меридиональном и широтном направлениях и имеет хорошо выраженное прямоугольное строение. Главная река - Вишера, делит территорию на
Рис. 1. Местоположение ГПЗ «Вишерский»
два геоморфологических района: западный - холмисто-увалистый и восточный - горный, который представляет собой систему небольших, длиной 10-30 км меридионально ориентированных хребтов, отделенных речными долинами Вишеры и ее притоков (Лопья, Мойва, Ниолс, Вёлс). Перепад высот изменяется от 230 м (долина Вишеры в южной части заповедника) до 1469.8 м (хр. Тулым-ский Камень) (Летопись ..., 2015).
Урал отличается выходами на поверхность интенсивно дислоцированных палеозойских и протерозойских пород (Софроницкий, 1967). В составе протерозойских напластований Урала различают два комплекса: песчаниково-сланцевый и известняково-доломитовый, отложения которых несколько раз перекрывают друг друга.
Северный Урал характеризуется отсутствием современного оледенения и наличием высот-но-растительных поясов: холодные гольцовые пустыни, горные тундры, подгольцовый пояс (березовые криволесья, парковые пихтово-еловые леса, луговые поляны), горно-лесной пояс (тем-нохвойная елово-пихтовая тайга, светлохвойные сосновые леса) (Белковская и др., 2014). Согласно почвенной карте Пермской области (1992), территория заповедника относится к среднетаежной горной области Европейской провинции Северного среднетаежного района равнинно-увалистого песчано-суглинистого подзолистого округа. Почвообразующие породы в верхних частях склонов представлены элювием коренных пород,
преимущественно кварцитов и сланцев, которые местами выходят на поверхность. На склонах почвообразование идет на рыхлых элювиально-делювиальных отложениях.
Изучение свойств почв проводили на ключевом участке в границах водосборного бассейна р. Большая Молебная (гора Хомги-Нёл), где представлены значительные перепады высот, высокая степень расчленения (460 м). Бассейн р. Большая Молебная расположен в правобережье по течению р. Большая Мойва, и примыкает к осевой водораздельной части Уральского хребта. Для наглядной пространственной визуализации территории использован космический снимок (рис. 2), где можно оценить сложность территории (разрезы обозначены черными точками).
В пределах бассейна р. Б. Молебная территория геологически сложена кварцито-песчаника-ми, кварцито-песчаниками известковистыми, гравелитами и переслаиванием серицит-кварцевых сланцев с кварцито-песчаниками (Ишеримская свита) (Летопись ..., 2015).
Определен ландшафтно-геоморфологический профиль на склоне г. Хомги-Нёл (1300 м) (рис. 3), в границах которого заложены почвенные разрезы с высоты 928 до 458 м н.у.м. В пределах профиля выделены элементы структурной организации бассейна реки Большая Молебная: фанды, дуги (водораздельная часть), склоновые поверхности, водосборные воронки, внутренняя долина. Соответствие высотных геосистем и элементов бассейна представлено на рисунке 3. Согласно профилю, большая часть бассейна приходится на склоновые водосборные поверхности.
Обработка картографического материала и анализ данных проведены на базе современных геоинформационных систем ArcGis 10.2 и MapInfo Professional 12.5. Цифровая карта почвенного покрова ключевого участка бассейна реки Большая Молебная создана на базе геоинформационной
Рис. 2. Спутниковый снимок ключевого участка • места расположения почвенных разрезов
Рис. 3. Геоморфологический профиль участка горы Хомги-Нёл системы ESRIArcGis 10.2. Почвенные контуры оцифровывались по космическим снимкам, автоматизированным методом дешифрирования данных дистанционного зондирования, с учетом всех факторов почвообразования. Рельеф построен с помощью алгоритмов ArcGis (изолинии высот) на основе ЦМР Aster GDEM т. к. территория лежит севернее 60 градусов северной широты, пришлось отказаться от SRTM. Выделены водотоки и обозначены границы ключевого участка. Координаты почвенных разрезов привязаны к карте. Составлена атрибутивная БД свойств почв. Интерполяция свойств почв проведена методом ближайшего соседа, а в качестве подложки использован космический снимок Sentinel-2 за 27-08-2018.
Для характеристики почв ландшафтно-гео-морфологического профиля использованы данные автора 2014 г. (Самофалова, 2015; Самофало-ва, 2017) и Вишерского заповедника (Летопись ..., 2015) по 12 почвенным разрезов (табл. 1). Классификация почв дана по «Полевому определителю почв России» (2008). Аналитические исследования проведены по общепринятым методам.
Результаты и их обсуждение
Как высотное природное сооружение, горы подчиняются в своем развитии законам высотной поясности. С другой стороны, поверхность гор осложнена такими формами рельефа как водосборные бассейны. Особенностью формирования почвенного покрова горной территории является взаимодействие двух геосистем: высотных поясов и водосборного бассейна, что и отражается в различных условиях формирования почв с учетом высоты местности и степени развития водосборного бассейна.
Длина ландшафтно-геоморфологического профиля на ключевом участке водосборного бас-
сейна р. Большая Молебная составляет 5500 м, общий перепад высот 460 метров, уклон изменяется от 1 до 17 градусов. Опираясь на данные почвенных разрезов, с учетом климатических особенностей разных высотных поясов, растительности, крутизны склонов различных экспозиций, литологии построена авторская почвенная карта для бассейна реки Большая Молебная (Шаньгин, Самофалова, 2016; Самофалова, 2018). В пределах ключевого участка наибольшую площадь занимают почвы отдела слаборазвитых почв (табл. 2) и почвы отдела альфегуму-совых. Наименьшую площадь занимают почвы отделов железисто-метаморфических и аллювиальных.
Горные почвы участка обогащены органическим веществом до 6.6 %, что является их генетической особенностью. Хороший дренаж горных склонов способствует образованию растянутого гумусового профиля. Вследствие неполного разложения растительных остатков и слабой микробиологической активности, гумус почв можно охарактеризовать как «грубый». В нижней части профиля содержание гумуса достигает 1.5-3.0 %, будучи обусловлено процессами поверхностного выветривания, которые происходят при слабом участии живых организмов. При этом образуется сеть трещин, увеличивается дисперсность и удельная поверхность пород. Количество органического вещества увеличивается в выветрелых слоях и проникает в нижние горизонты по трещинам. Это явление Н.А. Караваева и В.О. Таргульян (1963) назвали мерзлотной ретинизацией гумуса (аккумуляция гумуса над мерзлотным слоем). Кроме того, значительное количество гумуса в нижних горизонтах указывает на подвижность органического вещества и продуцирование легкоподвижных гумусовых веществ.
Интерполяционная модель содержания гумуса в почвах ландшафтно-геоморфологического профиля на ключевом участке демонстрирует изменение показателя в пространстве (рис. 4).
Минимальные значения характерны для почв в гольцовом (горно-тундровом) поясе (1.25-2.25%, максимальные - для горно-лесного пояса и в при-ручьевых лесах поймы (до 6.25% на высоте 490 м н.у.м.). В целом содержание гумуса подчиняется изменениям, связанным с вертикальной и горизонтальной организацией горных геосистем по основным геохимическим потокам вещества и энергии. На это указывают вытянутые области изменений показателя от вершины склона к пойме. Установлена тесная линейная зависимость из-
Таблица 1. Сводная таблица закладки почвенных разрезов в бассейне р. Большая Молебная
на территории ГПЗ «Вишерский»
Пояс Растительные ассоциации Характер, формы рельефа Экспозиция №№ разрезов
Горно-лесной, 300-520 м н.у.м. Пихтово-еловая тайга: черничник голокучниковый, заболоченная крупнотравно-вей-никовая Елово-пихтовая тайга: заболоченная крупнотравно-вейниковая, крупнотравно-папоротниково-вей-никовая, березово-еловый черничник Заболоченный, на протоках, кочки, неровности микрорельефа образованы валежником и возвышениями под деревьями С, СЗ, З, СВ 1-14, 3-14, 2-14, 2343, 2344
Подгольцовый, 540-800 м н.у.м. Елово-пихтовая тайга: крупнотравно-папоротниково-вей-никовая, березово-еловый черничник, мезофильный луг разнотрав-но-вейниковый с фрагментами низкотравно-зверобоевого Поверхность неровная, крупновалунная, кочки, многочисленные неровности, валежник, неоднородный, сформирован валежником, возвышениями под деревьями, в условиях заболачивания, пересекается руслами проток и ручьев Ю, СЗ 6-14, 5-14, 4-14, 2346, 2348
Гольцовый, >800 м н.у.м. Мохово-лишайниковая пустошь, горно-пустошный луг, ассоциация горцево-ветреницево-моховая Склоны в окружении каменных россыпей, микрорельеф однородный, местами россыпи камней, «колодцы выветривания» З 8-14, 7-14
менения гумусности почв с высотой местности.
Для почв исследуемого водосборного бассейна в большей степени характерна сильнокислая реакция среды (рНкс1=3.0-4.1). Интерполяционная модель изменения показателя кислотности в пространстве показывает, что этот параметр варьирует в широком диапазоне: от сильнокислой до нейтральной реакции среды (рис. 5).
Снижение кислотности в почвах нарастает от приручьевых лесов во внутренней долине от русла реки Б. Молебная до границы ее бассейна на склоновой поверхности, которая является разделяющей двух бассейнов малых рек: Б. Молебной и Хомги-Лохьи. Показатель кислотности в пространстве изменяется в форме спорадически-зональных кругов, вытянутых от высоких позиций местности (800-928 м н.у.м.) к низким (458 м н..у.м.). Реакция среды почв является индикатором основности пород, на которых они формируются. Можно предположить, что понижения или повышения значений рН в первую очередь связаны с литологической неоднородностью поверхности в пределах ключевого участка, и в меньшей степени - с изменением характера растительного покрова.
Сумма поглощенных оснований варьирует в пространстве от очень низкой и низкой (2.4-8.4
мг-экв/100 г почвы) до высокой (более 50-60 мг-экв/100 г почвы). Сумма обменных оснований повышается к стоковой поверхности левой части водосбора бассейна р. Хомги-Лохья, где достигает 89 мг-экв/100 г почвы (рис. 6). На склоновых поверхностях отмечается наименьшее содержание обменных оснований, особенно на крутых участках, а также в почвах тундрового пояса.
В пределах ключевого участка с помощью интерполяционной модели изменения степени насыщенности почв основаниями, установлено, что данный показатель варьирует в очень широком диапазоне: от 3,7 % до 81,8% (рис. 7). Наибольшую степень насыщенности основаниями имеют почвы в нижней части склоновой поверхности в горно-лесном поясе (до 80%). Наименьшие значения отмечаются в почвах внутренней долины реки Большая Молебная (юго-западная часть ключевого участка).
Интерполяционные модели изменения кислотно-основных свойств почв в пространстве имеют близкие тенденции. На высоте 620-640 м н.у.м. отчетливо выделяется условная граница по изменению показателей. Выше указанной высоты параметры кислотно-основных свойств почв варьируют в меньшей степени: 3-5 градаций шкалы. В то время как в почвах на высоте ниже 640
Таблица 2. Площади почв ключевого участка водосборного бассейна р. Большая Молебная
в бассейне реки Большая Мойва
Отдел почв Тип почв Площадь, га
Аллювиальные Аллювиальные 46
Глеевые Глеезем грубогумусированный 79
Перегнойно-глеевые 26
Литоземы Серогумусовый метаморфизированный, Серогумусовый глееватый потечно-гумусовый 147
Альфегумусовые Дерново-подбур контактно-осветленный 490
Дерново-подбур глееватый 47
Дерново-подзол грубогумусированный 64
Лито дерново-подбур оподзоленный 262
Подбур глеево-окисленный 120
Структурно-метаморфические Бурозем оподзоленный 132
Железисто-метаморфические Ржавозем (железисто-гранулированный, оподзоленный) 51
Органо-аккумулятивные Серогумусовая 436
Слаборазвитые Петрозем 2263
м н.у.м. встречается весь диапазон значений: от очень низких до очень высоких.
Любая речная сеть является системой тектонических трещин (Трифонова, Шутов, 2018). В связи с чем, развитие речного бассейна ученые объясняют с точки зрения образования его структуры через развитие тектонических трещин - как русловой системы. Стоковая речная сеть - это единая система трещин, заложенная в горном массиве (или в подстилающем геологическом фундаменте), и разрастающаяся снизу вверх по склону (Трифонова, 1994; Морозов, 1996; Трифонова, 1999, 2008). Важным фактором здесь являются особенности геологического фундамента, в кото-
ром формировался бассейн, и его тектонической структуры (Трифонова, Шутов, 2018). Структура речной сети в неотектонически активных районах сопряжена с сеткой разрывных нарушений (Сладкопевцев, 1973; Гарцман, Галанин, 2011).
Исходя из этой концепции, наибольшее разрушение пород происходит в тектонических трещинах, где максимально проявляются процессы бассейнообразования. Кроме того, в большей степени разрушению подвержены мягкие менее плотные породы. Развитие бассейна и рост трещин вверх приводят к выходу на поверхность известковых отложений, на которых развивается первичное почвообразование.
Рис. 4. Интерполяционная модель Рис. 5. Интерполяционная модель
содержания гумуса изменения pH
Рис. 6. Интерполяционная модель изменения суммы обменных оснований (S)
Интерполяционные модели изменения физико-химических показателей почв демонстрируют активное бассейнообразование до высоты 640 м н.у.м. Выше этой высоты проявляется иной характер изменения и варьирования показателей свойств почв в пространстве, что косвенно может указывать на снижение напряжения разрывных нарушений и трещин.
Заключение
Таким образом, в горных условиях пространственное изменение физико-химических свойств имеет свои особенности и закономерности. Так, изменение содержания гумуса связано в первую очередь с изменением растительных сообществ и формированием биологических барьеров. Показатели кислотно-основных свойств почв изменяются в зависимости от основности пород и имеют наибольшие значения на склоновых поверхностях бассейна до его границы влияния. Выше по высоте местности, показатели свойств почв имеют тенденцию снижения, что косвенным образом связано с меньшим напряжением трещин и меньшим проявлением процессов бассейноо-бразования, где проявляется больший эффект от высотных геосистем (ландшафтов) и высотной зональности.
Список литературы
1. Белковская Т.П. Переведенцева Л.Г., Мухутдинов О.И., Селиванов А.Е., Бахрев П.Н., Прокошев И.В. Растительность и флора, грибы, лишайники заповедника «Вишерский». Соликамск, 2014. 400 с.
2. Бугаец А.Н., Пшеничников Н.Ф., Терешкина А.А., Краснопеев С.М., Гарцман Б.И., Анализ пространственной дифференциации почвенного покрова юга Приморья на примере бассейна р. Комаровка // Почвоведение. 2015. №3. С. 268-276.
3. Бугаец А.Н., Пшеничников Н.Ф., Терешкина А.А., Краснопеев С.М., Гарцман Б.И., Голодная О.М., Ознобихин
Рис. 7. Интерполяционная модель изменения степени насыщенности почв основаниями (V)
В.И. Цифровая почвенная карта бассейна р. Уссури // Почвоведение. 2017. №8. С. 936-945.
3. Гарцман Б.И., Галанин А.А. Структурно-гидрографический и морфометрический анализ речных систем: теоретические аспекты // География и природные ресурсы. 2011. №3. С. 19-28.
4. Караваева Н.А., Таргульян В.О. К изучению почв Северной Якутии // О почвах Восточной Сибири. М.: Изд-во АН СССР, 1963. С. 53-71.
5. Летопись Природы «Заповедник «Вишерский». Кн. 21. Красновишерск, 2015. С. 8-15.
6. Морозов Н.Ф. Математические вопросы механики разрушения // Сорос. образ. журнал. 1996. №8. С. 117-122.
7. Полевой определитель почв России. М.: Почв. Ин-т. им. В.В. Докучаева, 2008. 182 с.
8. Почвенная карта Пермской области. М 1:700 000. Комитет по геодезии и картографии министерства экологии и природных ресурсов РФ. М., 1992.
9. Самофалова И.А. Высотная организация почвен-но-топографических рядов на горе Хомги-Нёл (Северный Урал, заповедник «Вишерский») // Эволюция и деградация почвенного покрова / Сборник научных статей по материалам V Международной научной конференции. Ставрополь: СЕКВОЙЯ, 2017. С. 53-55.
10. Самофалова И.А. Морфолого-генетические особенности почв на горе Хомги-Нёл (Северный Урал, заповедник «Вишерский») // Пермский аграрн. вестник. 2015. №4. С. 64-72.
11. Самофалова И.А. Почвенный покров бассейна р. Большая Молебная (Северный Урал, заповедник «Вишер-ский») // Экология речных бассейнов / Труды 9-й Межд. на-уч.-практ. конф. Владимир, 2018. С. 90-97.
12. Самофалова И.А., Шутов П.С. Геосистемно-бассейновый подход как основа изучения структуры почвенного покрова // Вестник Алтайского ГАУ 2017. №1. С. 49-57.
13. Самофалова И.А., Шутов П.С. Применение геосистемно-бассейнового метода для геомоделирования почвенного покрова территории заповедника «Басеги» // Природа Басег / Труды ГПЗ «Басеги». Соликамск: Типограф, 2016. Вып. 5. С. 16-42.
14. Сладкопевцев С.А. Развитие речных долин и неотектоника: монография. М.: Недра, 1973. 132 с.
15. Софроницкий П. А. Геологический очерк // Труды Пятого совещания по химической географии вод и гидрогеохимии Пермской области. Пермь: Изд-во Пермского университета; Пермского отделения Геогрфического общества
СССР; Ин-та карстоведения и спелеологии, 1967. Вып. 4 (5). С. 26-41.
16. Трифонова Т.А. Модель развития горного водосборного бассейна // Природа. 1994. № 2. С. 106-119.
17. Трифонова Т.А. Речной водосборный бассейн как самоорганизующаяся природная геосистема // Изв. РАН. Серия география. 2008. № 1. С. 28-36.
18. Трифонова Т.А. Формирование почвенного покрова гор: геосистемный аспект // Почвоведение. 1999. № 2. С. 174181.
19. Трифонова Т.А., Шутов П.С. Особенности формирования бассейновой структуры малой реки // Экология речных бассейнов: Труды 9-й Междунар. науч.-практ. конф. / Под общ. ред. проф. Т.А. Трифоновой; Владим. гос. ун-т. им. А.Г. и Н.Г. Столетовых, Владимир, 2018. С. 97-104.
20. Шаньгин М.С., Самофалова И.А. Характеристика литоводосборного бассейна реки Мойва на Северном Урале (ГПЗ «Вишерский») // Материалы межрег. научно-практической конференции, посвященной 25-летию заповедника «Вишерский» и 100-летнему юбилею заповедной системы России. Пермь, 2016. С. 61-65.
21. Шутов П.С., Самофалова И.А. Морфометрическая характеристика и структура литоводосборных бассейнов на Среднем Урале (на примере охраняемой территории заповедника «Басеги») // Материалы межрегиональной научно-практической конференции, посвященной 25-летию заповедника «Вишерский» и 100-летнему юбилею заповедной системы России. Пермь, 2016. С. 65-76.
22. Samofalova I. Soil Cover in the North Urals // Agricultural Studies. April, 2018. Vol. 2. Iss. 2. P. 1-10.
I.A. Samofalova. Geospatial modelling of physical and chemical properties of the mountain soils (Northern Urals, Vishersky Reserve).
The physico-chemical properties of mountain soils (Northern Urals, Vishersky Reserve), which are formed in different altitudinal vegetation zones and structural elements of the catchment area. It has been established that in mountain conditions changes in physicochemical properties in space have their own characteristics and patterns. First, the humus content is associated with changes in plant communities and the formation of biological barriers. Secondly, the indicators of acid-base properties of soils have the greatest values on the slope surfaces of the basin to the boundary of its influence (up to 640 m above sea level), and higher the effect from high-altitude geo-systems appears - the indicators tend to decrease, which is associated with the manifestation of high-altitude zonality. Thirdly, using geospatial modeling of the physicochemical properties of mountain soils, it has been established that their variation in space is associated with the development of the river flow network. This pattern is manifested in a characteristic similar change in soil properties.
Keywords: mountain soils; physico-chemical properties; reserve; interpolation model.
Информация об авторах
Самофалова Ираида Алексеевна, кандидат сельскохозяйственных наук, Пермский государственный аграрно-технологиче-ский университет им. акад. Д.Н. Прянишникова, 614000, Россия, г Пермь, ул. Петропавловская, 23, Е-mail: samofalovairaida@ mail.ru.
Information about the authors
Iraida A. Samofalova, Ph.D. in Agriculture, Associate Professor, Perm State Agro-Technological University named after Academician D.N. Pryanishnikov, 23, Petropavlovskaia st., Perm, Russia, 614000, E-mail: samofalovairaida@mail.ru.
